ARM通用寄存器及状态寄存器详解

一起学嵌入式 2024-02-08 14:29

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大家好,今天来聊聊 ARM 通用寄存器以及状态寄存器的认识与理解。

ARM通用寄存器

对于处理器来说,寄存器可以作为暂存器,存储临时结果,也可以作为输入数据,方便运算,也可以作为一种索引,去访问存储器,其作用各种各样。
详解 ARM 几个常见的寄存器

CortexM3/M4

CortexM3/M4是比较常用的ARM架构,很多厂商都采用了这样的架构,比如ST公司的stm32,广受大家欢迎,还有NXP的MK60芯片,一直在飞思卡尔比赛中很受欢迎,还有国产兆易创新的GD32,亚特力的AT32,国民技术的N32系列。

其在嵌入式领域非常受欢迎,相对方便上手,功能齐全,满足一般的对MCU的需求。

其寄存器模型如下:

  • 通用目的寄存器R0-R7

    低组寄存器,32bit,16位thumb以及32位的thumb-2指令均可以访问

  • 可以看到R0、R1、R2三个作为参数传递进入。

  • 后面R0作为结果传出进行比较。

  • 传入参数是数组,为什么不直接传地址(LDR),而是通过DCD指令来传递呢?

  • 这是因为LDR取地址的范围有限,LDR Rn,#立即数地址,该地址只是是小范围(4KB?),所以可以看到DCD的地址就在不远处(6A92 - 6D48相差不远),而存储器的地址则在2000000范围,与其地址相差较大,从图二来看 DCD后的地址,其实是通过DCD的地址先寻址,寻址后再作为地址,继续寻址。


  • R0-R3一般作为参数传递,如果参数再多,则通过压栈的方式传递
  • R0、R1还会作为返回值进行传递,如果是32位则是R0,64位则会用R0-R1
  • 通用目的寄存器R8-R12

    高组寄存器,32bit,较少的16位thumb指令可以访问,一般是 thumb-2指令访问。

    R11一般用作FP指针,保存栈帧。

    栈指针R13(SP), 指示当前栈所指位置。

    链接寄存器R14(LR), 保存程序返回地址。

    程序计数器R15(PC),程序运行的当前位置。

    下图一PC作为基址地址,然后去访问存储器,0x4079a1c+480 =0x4079c04
    下图二直接将0x4079c04 作为地址给r0

指令对齐半字或者字地址,最低位为0
特殊跳转指令,需要将PC 最低位表示Thumb状态,否则会触发异常。
PC有时候会作为基址寄存器,然后加地址偏移去访问数据

CortexR5

Cortex R系列继承了ARM7架构下的系统模型,有多组工作模式,每个模式都有自己的地址空间(堆栈地址SP)

  • CortexR5 属于ARMv7指令集。
  • 与CortexM3/4一致,其R0-R7 以及R8-R12的作用
  • user模式和sys模式共用一套寄存器,即共享
  • user/sys、FIQ、SVC、ABT、IRQ以及UND模式 下,LR、SP、SPSR均是独立,切换CPSR 模式之后,SP、LR及SPSR自动切换成相应模式下的寄存器值
  • FIQ 之所以被称之快速中断,是因为有独立的R8-R12寄存器,不需要压栈 ,直接使用,
  • SPSR是保存上一个模式的CPSR。

ARMv7的一般AR系列的寄存器模型和上述的基本相同,有一些新的扩展,

  • 增加了Hyp模式以及Mon模式,分别用于虚拟扩展以及安全扩展,
  • Hyp模式下的LR为ELR,记录异常时的返回地址,其他均一致。

CortexA53

  • r0-r7 用来做参数传递或者发返回结果。
  • r8 间接的结果位置寄存器
  • r9-r15 暂存器 保存临时结果
  • r16-r17 动态链接(系统并不是所有地址都可以跳转)(链接器内部插入代码)所需要的寄存器
  • r18 the Platform ABI专用的寄存器 来保存内部程序状态(为了平台通用性 避免使用)
  • r19-r28 被调用者保存的寄存器(相对来说还有调用者保存寄存器 在CortexM3/4就有很好体现)
  • r29 FP寄存器,需要加编译选项
  • r30 链接寄存器
  • SP 栈指针,
  • PC 程序寄存器

可以看到程序调用时,函数类型为9个参数,汇编代码x0-x7作为参数传递进去,最后一个参数,压栈进行传递,str x9,[SP] 。

还用到了 blr 通过寄存器去进行链接跳转 最后通过b 跳转返回。

状态寄存器

寄存器通常是CPSR(Current Program state register),用来表示当前程序运行的状态、模式、运算结果状态、中断状态等。,比如下面这个CPSR寄存器模型。

标志位域

说明解释:表示程序的运行结果的状态,可以用来跳转,例如:结果是否为0,结果是否有进位,结果是否溢出,结果是否为负数等等。

  • 符号有NCVZ,分别是负数(Negative)、进位(Carry)、溢出(Overflow)、为0(Zero)标志。
  • 衍生出许多跳转指令,近范围或者函数范围内跳转,比如以下这些指令
    • BEQ、BNE 通过判断Z==1,BEQ为相等则跳转,比如CMP X0,X1 BEQ
    • BCS、BCC通过判断C==1,BCS为大于等于则跳转,BCC为小于则跳转
    • BMI、MBL 通过判断N==1,BMI 为负数则跳转,BPL为整数则跳转
    • BVS、BVC 通过判断V==1,溢出则跳转,BVC为非溢出则跳转
    • BHI、BLS通过判断C == 1 and Z == 0 意思就是大于则跳转,
    • BGE、BLT 通过判断N == 1 and V == 1,或者 N == 0 and V == 0 有符号数大于等于
    • BGT、BLE 通过判断Z=0, N == 1 and V == 1 或者 Z=0 N == 0 and V == 0 有符号数大于
  • 相关数字运算对标志位的影响。

异常中断控制域

比如常见的DAIF 中断屏蔽位,分别为:

  • 处理器状态debug中断 屏蔽位:查看点、断点以及系统单步运行
  • 系统错误中断屏蔽位(通常是异步的错误)
  • 普通中断屏蔽位
  • 快速中断屏蔽位常见的中断控制域如上图所示
  • CortexM3/4 单独存在一个寄存器primask,可以屏蔽中断,只有普通中断,没有快速中断(支持嵌套,所以快速与否感觉关系不大,同时进入中断后,硬件自动压栈相关寄存器,也提高了中断速度),在cpsr中没有中断屏蔽相关,
  • CortexR5以及A53系列中均有这样的中断控制域,可以访问临界资源时屏蔽中断,

模式控制域

CPSR的低五位为模式控制位,控制当前CPU为何种模式,设置各种模式则是为了处理异常以及分层管理,低级无法访问特定资源,而特权模式则可以进行资源上的操作。

  • 通过写CPSR的低五位,可以控制系统处于何种模式。
  • 通过读CPSR的第五位 也可以知道当前处于何种模式,判断程序发生了什么故障。
modedescriptionrestriction
User Mode运行用户程序,非特权模式 ,无法处理异常,除非异常,否则无法改变当前模式对系统资源的访问进行限制(外设以及memory)
SVC Mode用于系统管理,比如系统下的资源访问,以及OS的调度管理,可以通过软件触发,特权模式 ,执行SVC指令可以进入到本异常,复位之后进入该模式 ,(正常行为,软件触发到
system Mode与用户模式共享所有寄存器,特权模式,不能通过异常进入,(正常行为,软件触发
Abort ModeData Abort或者Prefetch Abort,前者是数据访问出错,后面是取指令错误,特权模式,(异常行为,硬件检测到
Undefined Mode指令相关的异常处理,例如执行到未定义的指令,特权模式,(异常行为,硬件检测到
FIQ Mode特权模式,处理快速中断,(正常行为,硬件触发到
IRQ Mode特权模式,处理普通终端,(正常行为,硬件触发到

指令选择域

T Value指令集描述
0ARM指令集32位DWORD对齐的指令
1Thumb指令集部分为16位半字(half word)对齐的指令,增加代码密度,减少Image size
X关联两种指令集可以混合使用,通过状态来表征,比如通过bx 、blx可以切换指令集

大小端控制域

endian state value模式描述设置指令
0小端模式memory 低字节在低位SETEND LE
1大端模式memory 低字节在高位SETEND BE

执行状态控制域

一些控制系统状态的标志位,比如ARMv8-A系列

标志属性描述HTML
SP_ELxStack pointer register selected,'比如SP_EL0 或者SP_EL3
EL"异常等级"“EL0、EL1、EL2以及EL3”
SS软件单步控制for debugger make PE single-step instruction


原文:https://blog.csdn.net/qq_34430371/article/details/125820927

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